滇东昆阳磷矿成矿物质来源及其沉积环境

陈瑞红，赵 锴

(1. 云南磷化集团工程建设有限公司，昆明 云南 650600；2. 桂林理工大学 广西隐伏金属矿产勘查重点实验室，桂林 广西 541006)

0 引言

磷被广泛用于农业生产，是农业生产的基本物质之一。世界磷矿资源主要分布在摩洛哥、美国和中国，占世界磷矿资源总量的70%以上[1]。我国的磷矿资源丰富，主要分布在云南、贵州、湖北、湖南、四川五省，其成矿时代以震旦纪和寒武纪为主，其次是泥盆纪，成矿类型以海相沉积磷块岩矿床为主，约占85%，岩浆岩型磷灰石矿床和变质岩型磷灰石矿床约占14.6%[2]，少数风化型[3]。云南昆阳磷矿床是我国最大的海相沉积层状磷块岩矿床之一，也是滇东地区最重要的磷矿床之一。昆阳磷矿床位于扬子地块西南缘，下寒武统成磷带南端。前人对矿区地层、矿物岩石学、岩相古地理、矿产的富集机理与开发利用等方面作了较为系统的研究[4-7]。然而，对昆阳磷矿成矿物质来源和沉积环境的研究仍相对欠缺，不利于正确认识本区磷矿的成矿规律和控矿因素。本文对第一作者所在公司提交的《云南省晋宁县昆阳磷矿资源储量核实报告(2012)》中有关矿石化学成分的数据进行了综合分析，并结合矿石的岩相学特征，讨论了昆阳磷矿的沉积物源和沉积环境，为区域找矿工作提供了新资料。

1 区域地质背景

云南省分布有丰富的磷矿，是我国磷矿资源大省之一，占全国总储量的22%。区内磷矿带属于早寒武世川滇成矿带的一部分，该磷矿带南起云南省华宁，经昆阳、海口、尖山、安宁、会泽、雷波、马边、峨眉、绵竹一直延伸到陕西宁强一带，向东延至贵州省全县的打麻厂，全长约1300 km[8]。昆阳磷矿位于昆明市西南72 km，构造位置上处于扬子地块西部，川滇台背斜与滇东台褶带的交汇处。

1.1 矿区地层

矿区出露地层由老至新依次为震旦系灯影组(Z2dy)、下寒武统渔户村组(∈1y)、中谊村组(∈1z)、筇竹寺组(∈1q)。矿区南部零星分布有中泥盆统海口组(D2h)、下石炭统大塘组(C1d)和第四系(Q)。昆阳磷矿主要产于下寒武统中(图1)，其岩性特征由下至上依次如下。

下寒武统渔户村组由下至上可分为3个岩性段，下段为紫红色—暗绿色含海绿石砂页岩与泥质白云岩互层，底部为砾岩，该段与下伏灯影组呈假整合接触，厚约4 m；中段为灰色—灰白色薄层—中厚层条纹状粉晶白云岩，夹数层薄层状粉砂质页岩，风化后成条纹状，可见藻类等化石，厚约118.4 m；上段为灰色—灰白色中厚层石英砂屑粉晶白云岩，局部夹黑色硅质条带或团块，可见腕足类、软舌螺、单板类等化石，厚约45.7 m。

中谊村组根据岩性、岩相的变化，由下到上可分为磷块岩段和白云岩段，其中磷块岩段下矿层与下伏渔户村组呈假整合接触，其顶部为白云质硅质条带磷块岩，中、下部为粒屑磷块岩或砾状磷块岩，可见小壳动物化石，如Kunyangothecasp.，TurcuthecaLubricaQian等，厚0～8.0 m；中间夹层为灰白色—灰黄色凝灰质黏土岩，主要由黏土矿物伊利石、蒙脱石-伊利石混层及石英、长石组成，可见小壳动物化石，厚0.5～4.0 m；上矿层中下部为粒屑磷块岩，底部为白云质、硅质条带磷块岩，上部为白云质磷块岩，可见小壳动物化石，厚6～13.4 m。本组白云岩段为灰色—灰白色含磷砂质白云岩，夹硅质团块，白云岩风化后常呈黄褐色砂质黏土，局部含磷品位>8%，可见齿形壳、软舌螺等化石，厚1～4 m。

筇竹寺组据其岩性、岩相变化特征，由下至上可分为黑色粉砂岩段、白云质粉砂岩段、杂色页岩段和暗绿色页岩段4个岩性段。其中，黑色粉砂岩段主要由黑色薄层—微层粉砂岩组成，夹多层粉砂质微晶白云岩及其零散状同生结核体，底部可见1～2层厚约0.2 m的含海绿石瘤状、姜状磷块岩，本段产腕足类、软舌螺、似软舌螺等化石，厚约45.2 m，与下伏中谊村组假整合接触。白云质粉砂岩段上部为深灰色—灰白色薄层—中厚层白云质粉砂岩夹粉砂质隐晶白云岩，下部为灰色中厚层含云母泥质—白云质粉砂岩夹黑色薄层粉砂岩和粉砂质页岩，底部局部可见厚0.1～0.2 m砾岩或黄铁矿结核，本段球状风化明显，可见海绵骨针等化石，厚约31.9 m。杂色页岩段主要为粉砂质页岩，黑色，风化后呈杂色(紫、白、灰)，上部可见薄层—中厚层微晶白云岩，底部可见0.2～0.3 m含海绿石砂质角砾状磷块岩，产三叶虫、古介形类，厚约24.7 m。暗绿色页岩段主要为页岩，黄绿色—暗绿色，顶部可见冲刷面及波痕，底部夹数层厚约0.2 m砾岩，局部夹紫红色页岩，产三叶虫、昆阳云南头虫等，厚约46.3 m。

1.2 矿区构造

本区构造形态主要受近SN向的普渡河—滇池断裂和罗次—易门断裂两条深大断裂控制(图2)；其次为近EW向构造，如香条冲背斜、龙潭街背斜、安宁向斜和三家村断层。昆阳磷矿位于香条冲背斜南翼东段，总体上构成一单斜构造，地层倾向为160°～200°，略呈舒缓波状变化，倾角多为14°～16°，其中，东部倾角缓，为10°～12°，西部变陡，约20°。次级褶皱不发育，主要分布在断裂周缘，褶皱轴迹主要呈EW向，其次为NE或NW向，规模普遍较小，一般几十米到近百米长，为宽缓的短轴褶皱。矿区内断裂主要由一系列近EW向、近SN向和NE向或NW向断裂组成。其中，近EW向断裂为一系列与香条冲背斜轴迹近于平行的高角度逆冲断层，部分为次级正断层，两者共同组成叠瓦式及地堑式断裂组合；近SN向断裂为一组与EW向断裂直交或斜交的正断层，常切割EW向断裂，不等距分布；NE向或NW向断裂为一组共轭剪性断裂，规模较小，为SN向断裂或EW向断裂的分支旁侧断裂。

图2 昆阳磷矿及其周缘地区构造纲要图Fig.2 Tectonic outline map of Kunyang phosphate deposit and its surrounding area1—断层/推测断层 2—正断层 3—逆断层 4—背斜 5—向斜6—昆阳磷矿(研究区)

2 矿床特征

2.1 矿体(层)特征

昆阳磷矿一至四采区为海相沉积的大型磷块岩矿床，厚度较大，品位较高，层位稳定。含矿岩系赋存于下寒武统中谊村组，具有工业价值的矿体(层)为上矿层和下矿层，上下矿层间夹有灰黄色黏土岩层。其中，上矿层的顶板为硅质白云岩，下矿层的底板为白云岩夹硅质条带，两者层序清楚，顶、底板界线及标志明显。

矿体(层)总体为一向南缓慢倾斜的EW向单斜构造，平均倾角约16°，其产状与围岩产状一致，并随围岩产状的变化而变化，一般边部较中深部略陡，西部较东部略陡。矿体(层)沿走向由西向东倾伏，倾伏角3°～4°，断裂经过地段，矿体(层)空间形态较复杂。矿体(层)倾向与坡向基本一致，受地形切割，矿体(层)形态较复杂，沟谷中矿体(层)顺坡向突出，山脊上矿体(层)则反坡向延伸。矿区沟谷一般为SN向，矿体(层)平面形态上成鸡足状—半岛状。剖面上，除被断层破坏的矿体(层)发生位移外，上、下矿体(层)均成稳定的层状，同时，在重力的作用，矿体(层)常顺坡向发生牵引滑动，略具波状起伏，或者边部变薄，中深部加厚成为楔状。矿体(层)长约5.0 km，宽0.6～1.2 km，矿区南部工程未控制地段还继续向深部延伸[9]。

2.2 磷矿石特征

本区磷块岩矿石的主要矿物成分为胶磷矿、其次为微晶—细晶磷灰石，脉石矿物主要为白云石及少量陆源碎屑。其中，胶磷矿主要呈粒屑状或砾状，浑圆形，一般沿层面定向排列；少数呈鲕状，鲕粒密集，圈1～2层，个别多层，局部为复鲕、扁心鲕和变形鲕，可见重结晶形成微晶—细晶磷灰石。白云石多呈粉晶凝粒状或微粒状嵌于胶磷矿粒屑间，粒径0.1～0.3 mm，局部被包围在胶磷矿粒屑内部。另外有许多微晶白云石围绕胶磷矿颗粒边缘，成为胶结物，不规则充填于胶磷矿间。陆源碎屑物以石英为主，其次为长石、白云母和黏土矿物，碎屑呈次圆状—棱状，含量为3～5%，零星分布在胶磷矿和白云石颗粒之间。

矿石的结构可分为砾状结构、粒屑结构、鲕状结构、生物碎屑结构和凝胶状结构五大类，其结构特征由下至上为砾屑结构、粒屑—鲕状结构、粒屑—粉晶结构(图3a)，反映了磷块岩沉积时水动力条件由高能向低能过渡。

矿石构造主要有块状、条带(纹)状和层纹状三种(图3b、3c)。具有块状构造的矿石坚硬致密，粒屑状、鲕状结构，胶磷矿占80%以上，脉石矿物零星充填于颗粒间，胶结物以胶磷矿为主，白云石、绿泥石、玉髓次之，胶结物多为泥晶，有时为微晶，多呈中厚层或厚层，柱状节理发育。条带(纹)状构造矿石可分为两种，一种具有块状构造的磷块岩中夹杂3～6条硅质或白云石条带，条带宽多为1～2 mm，个别达5 mm；二是白云质条带与胶磷矿条带相间排列，条带宽0.1～1 mm。前者分布在上矿层的底部和下矿层的顶部，其厚0.2～0.5 m；后者主要分布在上矿层的中上部，向上与白云质磷块岩过渡，向下与粒状磷块岩呈渐变接触。层纹状构造矿石多呈薄层—微层状，局部可见白云石纹层，凝胶状结构，微晶胶磷矿或脉石矿物碎屑零星分布在凝胶状胶磷矿中，该类型矿石常与块状构造矿石共生。

图3 昆阳磷矿矿石野外照片Fig.3 Field photo of the ores in Kunyang phosphate deposit

2.3 磷矿石化学成分

矿区磷矿石的w(P2O5)平均值为26.16%，其中上矿层的w(P2O5)平均值为25.10%，下矿层的w(P2O5)平均值为28.37%；酸不溶物(AI)平均值为13.98%，其中上矿层的AI平均值为13.72%，下矿层的AI平均值为14.66%(表1)。地表氧化矿石w(P2O5)较高(>30%)，有害杂质含量较少，这是因为氟磷灰石是密度较大的难溶矿物，在风化过程中易溶碳酸盐组分和密度较小的轻矿物易被淋滤流失，导致氟磷灰石残积富集；而深部原生矿石w(P2O5)相对较低(20%～28%)。矿石的CaO含量较稳定，w(CaO)平均值为37.51%；A12O3和Fe2O3的含量变化一般不大，w(A12O3)与w(Fe2O3)平均值分别为3.49%和1.01%；MgO和CO2含量不稳定，w(MgO)与w(CO2)平均值分别为4.03%和9.56%(表2)。总体看来，沿倾向由地表向地下深部P2O5含量逐渐降低，沿走向矿区东部上矿层w(P2O5)一般比西部高5%～10%，在垂直剖面上，矿区中部w(P2O5)较高(20%～35%)，上部和下部P2O5含量有所降低；由地表到深部，酸不溶物平均含量有所增加。

表1 昆阳磷矿工业矿体(层)P2O5、酸不溶物(AI)含量统计Table 1 Contents of P2O5 and acid-insoluble substance (AI) of the industrial orebody in Kunyang phosphate deposit

表2 昆阳磷矿岩矿石化学成分Table 2 Chemical composition of rocks and ores in Kunyang phosphate deposit

岩矿石中有害杂质主要为MgO、Fe2O3、Al2O3和CO2等，虽然对矿石质量有一定影响，但风化矿石质量达到可满足酸法加工磷肥、电法制磷及钙镁磷肥的要求，原生矿石质量则可达到满足电法制磷及钙镁磷肥的要求。

3 成矿物质来源

扬子地块是我国磷矿分布的重要区域，全国80%以上的磷矿资源分布于此。昆阳磷矿位于扬子地块西缘，昆阳磷矿磷块岩常富含菌藻类生物遗迹，磷矿层与富含有机质的硅质或泥质建造密切共生，均位于浅海陆源碎屑沉积与造海碳酸岩建造的过渡带上。此外，本区磷块岩还常与胶磷矿硬地或其冲刷再沉积后的产物滞后胶磷矿角砾岩共生，与其共生或作为其同位异相的暗色泥岩中往往可见泥晶胶磷矿结核或团粒以及被磷酸盐交代了的碳酸岩颗粒。

前人通过同位素地球化学和海洋化学的研究表明，海水中的磷是不饱和的，浓度非常低的，一般不超过700×10-6，从而无法从海水中以无机的方式直接沉淀出来[7，9]。常温地下水的 P、Si、Al 浓度亦相当低[10]，昆阳磷矿石整体上具有较高的w(P2O5)(平均值23.26%)、w(SiO2)(平均值17.36%)和w(Al2O3)(平均值3.50%)(表2)，因此，昆阳磷矿的成矿物质不是直接来源于海水和常温地下水。较高的SiO2含量可能与低温环境下上升洋流带来的大量水溶性SiO2有关，因为高含量SiO2一般是在低压、低温、中酸性和富含Si4+饱和溶液等条件下形成[11-12]。晚震旦世到早寒武世是我国磷矿床成矿的最主要时期，这一时期还没有出现高等生物，而是以微生物为主，是细菌、低等藻类生殖繁衍的主要时期，这一时期在扬子地块形成了几米甚至几十米厚的具有工业价值的磷块岩，反映了生物作用对磷矿床的形成起了重要作用；昆阳磷矿床的矿石中发现的大量多种形态的磷质微生物化石也说明了这一点。昆阳磷矿石较高的w(Al2O3)(平均值3.50%)和w(CaO)(平均值37.51%)(表2)，表明陆源碎屑物是成矿物质的重要来源。因此，可以推断，本区磷矿床磷的初始物质来源是富磷的陆源碎屑物和富磷质的海洋生物，这些富磷质的碎屑物或生物尸体与含磷陆源碎屑共同形成了海底淤泥，这些淤泥在成岩过程中形成富磷的孔隙水和底水，是凝胶状磷矿沉积的物质来源。

4 沉积环境

昆阳磷矿矿区一带，筇竹寺组和梅树村组中包含4个海水震荡形成的沉积旋回。每个震荡旋回由海进开始，直至海进顶峰，此过程中，海面相对稳定，沉积速度逐渐变慢，形成胶磷矿硬地，这些胶磷矿硬地在海退过程中被冲刷破坏，随后又在下一个震荡旋回中被簸选和再沉积，导致形成的矿层具有颗粒结构，底部往往可见具砾屑结构的矿石，且由下至上，颗粒由粗到细变化(图3a)。本区含磷岩系下寒武统中谊村组与底板下寒武统小歪头山组具有明显的冲刷面，表明含磷岩系形成于强烈构造运动后的沉降初期；含磷岩系顶板下寒武统筇竹寺组底部可见含海绿石姜状/瘤状磷块岩具有明显的冲刷面，暗示为一新的海进旋回。矿区的部分颗粒磷块岩中还发育粒序层理、潮汐层理、扭曲层理、交错层理、火焰状构造和沉砂构造等沉积构造；在矿区八道湾段矿层的上覆岩层中还发育有风暴岩；王家湾矿区磷块岩层可见“地震脉”沉积构造。这些特征说明本区颗粒磷块岩是在强海流、强风浪的冲刷簸选过程中形成，在此过程中，较轻的非磷酸盐颗粒和细粒悬浮组分被簸选走，相对较重的磷酸盐颗粒则沉淀下来，富集成矿。昆阳磷矿石具有较高的Fe2O3/FeO比值(平均值为6.47)(表2)，反映其沉积环境整体处于氧化条件。值得注意的是，被强海流簸选冲刷的胶磷矿颗粒要沉积成富矿层，还需要有水流速度的突然减缓，水流速度的变缓有利于胶磷矿颗粒的沉积，结合磷矿沉积岩中可见透镜状潮汐层理、波痕和干裂构造，矿石矿物的成分主要为非晶质胶磷矿，呈球粒状/鲕状结构等特征，表明含磷岩系主要形成于浅海浪基面以上的陆源坻、台地、浅海盆地等环境(图4)。

5 主要结论

昆阳磷矿磷块岩矿石的结构由下至上为砾屑结构、粒屑-鲕状结构、粒屑-粉晶结构，表现出明显的下粗上细的结构特征，反映了磷块岩沉积时水动力条件由高能向低能过渡。矿石整体上表现出较高的P2O5、SiO2、Al2O3和CaO含量，表明磷的初始物质来源是富磷的陆源碎屑物和富磷质的海洋生物，含磷岩系主要形成于浅海浪基面以上的陆源坻、台地、浅海盆地等环境。

致谢：中化地质矿山总局云南地质勘查院的同志提供了热情帮助，审稿专家提出了宝贵意见，在此一并感谢。